河北工業大學 Adv. Sci.: 蛋白誘導策略實現MOF基納米管向中空納米球的轉變

【背景介紹】

MOF材料由于具有多種拓撲結構和高比表面積，優良性能，適合于分子的固定化和傳遞。近年來被廣泛應用在氣體吸附，藥物傳遞和催化領域。作為生物活性分子的固定化載體，也引起了廣泛的關注。最近以來，多種新型中空粒子的構建及其在生物催化劑構建領域的應用被越來越多的報道，中空粒子的內部空腔結構可以為生物分子提供一個適宜的微環境，在空腔中，生物分子以游離狀態存在，以生物酶為例，游離狀態的酶分子能夠展示更高的催化活性。此外，中空粒子內部較大的空腔結構可以提供較高的生物分子的負載量，與此同時，中空粒子的薄壁球殼結構相對于開放的孔道結構可以減緩生物分子流失。因此，構建中空MOF以用作生物催化劑的載體，具備了較高的研究意義。

脫氧膽酸鈉（NaDC）作為一種水溶性膽酸鹽，因具有較高的生物親和性而被廣泛用在生物和醫藥領域，例如核酸和蛋白質的純化等領域。NaDC可與金屬粒子形成水凝膠體系，該凝膠體系的形成受離子濃度、pH等條件的影響，具有尺寸和形貌可調節的優點，因此可以作為中空粒子構建的軟模板。同時，因為該水凝膠具備很高的生物親和性，可以為生物分子提供較舒適的微環境以減緩其在非生理環境下的活性丟失。因此，可以知道將金屬-NaDC凝膠做為軟模板，通過調節凝膠形貌以得到中空MOF粒子固定化酶體系則具備了實際研究意義和充分的可行性。

【成果簡介】

近日，河北工業大學杜英杰等人首次報道了通過調控蛋白參與MOF的形成，成功構建了蛋白誘導法構建中空MOF及復合催化劑的方法。利用蛋白分子對金屬-NaDC凝膠的影響，通過改變蛋白的加入量，調節凝膠的粘彈性和表面形貌，進而將其作為軟模板，在其表面進行MOF（ZIF-8）的生長，最終構建了中空MOF粒子。因該方法利用蛋白對凝膠進行調控，實現了含酶中空MOF復合物的一步溫和制備，獲得了具備高活性的生物催化劑。該研究通過改變蛋白（酶）的加入量，改變了金屬-NaDC凝膠的形貌和性能，蛋白的加入使得凝膠更為不穩定，在MOF配體家加入體系之后，更容易奪取凝膠體系中的金屬粒子形成MOF殼層，與此同時，凝膠體系瓦解，將酶分子留于中空MOF粒子的空腔和球殼中。該方法實現了含蛋白中空MOF復合物的溫和水相制備，MOF的形貌可以通過調控蛋白的濃度等條件進行調控，所得生物催化劑的酶活回收率可達60%以上。

研究成果以MOF-based Nanotubes to Hollow Nanospheres through Protein-induced Soft-templating Pathways為題發表于國際著名期刊Advanced?Science上 (DOI:?10.1002/advs.201801684)，并被選為Frontispiece。

【圖文解讀】

圖一?軟模板法制備MOFs納米管(a), 蛋白誘導法制備含蛋白中空MOFs粒子(b)示意圖

圖二 不同蛋白濃度條件下含酶中空MOF粒子的TEM圖片

圖三 不同金屬離子濃度條件下含酶中空MOF粒子的TEM圖片

圖四 不同蛋白濃度條件下金屬-NaDC凝膠纖維的的SEM圖片(a-f)和粘彈特性數據(g-h)

圖五 含酶中空MOF粒子的XPS?(a),?FT-IR (b) 和 氮氣吸附脫附表征 (c-d)

圖六 含酶中空MOF粒子的STEM圖片?(a,?c); 元素分布圖像?(b) 和 元素線掃圖片 (d)

圖七 含酶中空MOF粒子催化劑和游離酶對乙腈的耐受性對比數據圖?(a)和其重復使用穩定性數據圖 (b)

圖八 含酶中空MOF粒子對于不同MOF和不同蛋白的普適性考察結果圖

【總結】

該方法實現了酶固定化的活力高效回收和蛋白誘導制備中空MOF粒子，實現了由納米管向中空納米球的一步轉化，闡釋了蛋白誘導的空殼MOFs集成催化劑構建機理。該方法拓展了空殼MOF材料構建的方法和MOF材料的應用領域，可廣泛應用于生物催化，生物大分子及藥物分子的載送。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201801684

作者簡介

該工作第一作者為河北工業大學博士生杜英杰，通訊作者為該校高靜教授和姜艷軍教授。河北工業大學生物催化與生物質能源課題組在高靜教授和姜艷軍教授帶領下，多年來致力于固定化酶設計制備、生物催化與轉化、生物質能源等方面的研究。相關研究成果已在國內外著名學術期刊如Energy & Environmental Science, Advanced Functional Materials, Advanced Science, Biosensors & Bioelectronics, ACS Applied Materials & Interfaces, Nano Research等上發表。

研究論文匯總詳見：https://www.researchgate.net/profile/Yanjun_Jiang2

本文由河北工業大學生物催化與生物質能源課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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